[发明专利]一种激光整形方法及整形后激光硬化处理设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光整形方法、激光硬化处理设备及方法。

背景技术

金属材料的激光表面硬化多由激光束经聚焦形成的高斯圆光斑或者离焦后的光斑直接作用于材料表面，通过数控机床控制工件与激光束的相对运动轨迹及光闸的启闭对材料表面或其要求部位进行表面硬化。近年来，在激光表面硬化过程中为了实现一个均匀的激光作用区，激光束往往被变换为均匀分布的矩形光斑或者线形光斑。要得到均匀分布的矩形光斑或者线形光斑需要利用光栅对激光束整形，通过光栅整形后的激光束不同衍射级的激光强度均相同，在这些硬化工艺中，为了获得一个均匀的激光热作用，将激光束的不均匀分布变换为均匀分布，但是理论和实验研究表明，均匀的激光照射不一定能得到均匀的热作用，更不能得到均匀的激光表面硬化区域的组织结构，由均匀强度分布的光斑作用下产生的硬化层为月牙形分布。

解决这一问题的根本方法是根据激光与材料相互作用原理，在每个光斑尺度内控制激光与材料的相互作用区域，对激光束空间强度分布进行优化。进而有效地在每个光斑尺度内控制激光与材料发生相互作用的区域，赋予材料表面特殊的组织结构和性能。本发明提出了一种激光表面硬化方法，这种方法的关键是利用二值位相光栅将激光束整形为具有山谷形非均匀能级强度分布的点阵，然后用变换后的光斑进行激光表面硬化，这种激光表面硬化的优点是提高材料的硬度的同时，大大改善了材料的硬化层均匀度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种能够将激光束整形为各衍射级之间为非均匀强度分布的激光整形方法。

本发明的另一目的在于提供一种能够将激光束整形为各衍射级之间为非均匀强度分布的设备。

本发明的第三目的在于提供一种采用各衍射级为非均匀强度分布的激光束进行金属表面硬化处理的方法。

本发明的激光整形方法，具体步骤为：1)根据衍射级数和各衍射级之间需要的强度比，通过标量衍射理论计算出二值位相光学转换元件的位相分布；2)根据二值位相光学转换元件的位相分布制作光学转换元件；3)激光束照射步骤2)中的光学转换元件，即可将激光束光斑整形为各衍射级间强度分布不均匀的光斑。

进一步，所述激光束光源为Nd:YAG激光器，波长为1064nm。

进一步，所述激光整形方法中，衍射级的个数为三个，三个衍射级之间的强度比为1∶2∶3。

进一步，所述激光束通过所述光学转换元件转换得到的光斑为山谷型强度分布点阵光斑。

进一步，步骤2)中制作光学转换元件之前，通过优化算法对所述光学转换元件的位相分布进行优化。

进一步，步骤2)中光学转换元件的制作步骤为：1)根据光学转换元件的位相分布，利用电子束图形发生器制作掩模板；2)通过接触式光刻法，将掩模板图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；3)利用感应耦合等离子刻蚀技术或者湿法刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃上得到光学转换元件。

本发明的激光硬化处理设备，包括激光器、扩束镜、光学转换元件和聚焦透镜，光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间，激光器照射扩束镜产生平行光束经所述光学转换元件和聚焦透镜在聚焦透镜焦平面上得到各衍射级间强度分布不均匀的光斑。

本发明的激光硬化处理的方法，具体为：在上述激光硬化处理设备的聚焦透镜的焦平面处设置待处理材料，通过激光器照射扩束镜产生平行光束经光学转换元件和聚焦透镜，各衍射级间强度分布不均匀的光斑照射所述待处理材料。

进一步，所述待处理材料为金属材料。

进一步，所述金属材料为铁、铜或者合金材料。

本发明根据激光与材料相互作用原理，在每个光斑尺度内控制激光与材料的相互作用区域，对激光束空间强度分布进行优化。进而有效地在每个光斑尺度内控制激光与材料发生相互作用的区域，赋予材料表面特殊的组织结构和性能。通过特殊的二值位相光学转换元件，得到各衍射级非均匀强度点阵分布的光斑，采用此种光斑对材料表面进行激光硬化，使材料硬度增加的同时，大大提高了硬化层的均匀度。

附图说明

图1为本发明中二值位相光栅的一个周期位相分布示意图；

图2a为强度比为1∶2∶3二值位相光栅的单个周期位相分布图；

图2b为强度比为1∶2∶3二值位相光栅的强度分布图；

图3为二值位相光栅的表面轮廓；

图4为光束变换后光斑强度分布测试实验系统；

图5a为二值位相光栅对光束变换后的两维强度分布图；

图5b为二值位相光栅对光束变换后的三维强度分布图；

图6a为5x5等强度分布点阵硬化后的材料表面形貌；